不锈钢纤维填充热塑性导电塑料研究进展

第34卷第1期2006年1月化工新型材料N EW CHEM ICA L M A T ERIA LS V ol 34N o 1

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作者简介:方鲲(1965-),男,博士,教授,研究方向为导电塑料、树脂基复合材料及电磁波吸收材料。

不锈钢纤维填充热塑性导电塑料研究进展

方 鲲1,3 曹传宝1 朱鹤孙1 王 群2

(1 北京理工大学材料科学研究中心,北京100081;

2 北京工业大学材料科学与工程学院,北京100083;

3 苏州国家高新技术开发区

留学人员创业园苏州纳盛通功能高分子材料科技有限公司,苏州215011)

摘 要 导电塑料是防止电磁波污染的一种重要防护性功能高分子材料。综述了不锈钢纤维(SSF)填充热塑性导电塑料的国内外研究进展,并对树脂、不锈钢纤维(SSF)含量、表面处理、加工工艺等因素造成屏蔽性能(SE)变化进行介绍与分析,并指出未来的研究发展方向。

关键词 导电塑料,不锈钢纤维(SSF),电磁波干扰(EM I)

Research development of stainless steel fiber filled thermoplastic conductive plastics

Fang Kun

1,3

Cao Chuanbao 1 Zhu H esun 1 Wang Q un

2

(1 Central of M aterials Science and Eng ineering ,Beijing Institute o f Technolog y,Beijing 100081;2 Colleg e of M aterials Science and Eng ineering ,U niv ersity of Beijing Industry,Beijing 100083;

3 NST functional poly mers Co.LT D of Suzho u SN D Pioneering Par k,Suzhou 215011)Abstract Conductive plastics is an im po rtant defensive and functional polymer mater ials in resisting electro mag

nectic interfer ence(EM I).In this paper ,r esear ch develo pment of stainless steel f iber (SSF )filled ther moplastic conduc tive plastics w ere rev iewed.T he resins,addition chang es and surface t reatment o f stainless steel f iber and pr ocessing co nditions for the effects of shielding effectiv eness (SE)o f the co nductive plastics w er e intro duced and discussed.

Key words co nductive plastics,st ainless

steel fiber,electro mag nect ic interference(EM I) 导电塑料是由电绝缘性较好的合成树脂和具有优良导电性能的填料及其它添加剂所组成,经注射、模压或挤出成型等方法加工成各种电磁屏蔽复合材料和制品。其中,常用的合成树脂有PE 、PS 、PC 、ABS 、PA 、PBT 、PET 、PPO 、PPS 和高性能热塑性塑料合金等。导电填料一般选用大尺寸的纤维状与片状导电材料。目前,最常用的有金属纤维、金属片材、导电碳纤维、导电石墨、超导炭黑、金属合金填料等。一般说来,导电塑料的屏蔽性能(SE)取决于导电填料的导电性以及它们之间的相互接触程度。由于纤维长径比和接触面积大、彼此更容易搭接,在相同填充量下,则更易形成导电网络而获得较佳的导电性能,故金属纤维填充型热塑性导电塑料是目前

最主要和应用领域最广泛的导电塑料[1,2]。

导电塑料是继导电涂料之后推入市场的新型功能材料,大有后来居上之势。研制和发展新型宽频、电磁兼容、比重低、屏蔽效能高、成本低、易加工的导电塑料,则成为(EM C/EM I)应用领域中电磁防护材料的重要科研方向和迫切的市场需求。

近年来,金属纤维填充热塑性导电塑料得到了快速发展,国外许多公司,如美国GE 公司、Wilson 微纤国际公司,日本大赛珞公司,荷兰DSM 公司等都已有多种类型和不同用途的产品生产与应用。

1 金属纤维填充型导电塑料

国内外对金属纤维填充型导电塑料的研究大多

化工新型材料第34卷

采用铜纤维(Cu)或不锈钢纤维(SSF)作导电填料。SSF 是80年代才得到开发与应用的一种新型导电纤维材料,具有优良的导电性和加工性能,最突出的性能是不易产生表面氧化,因而无需进行繁杂的去氧化层和表面防护处理。用拉拔技术生产的SSF 直径小,对塑料基体性能如收缩率、拉伸强度、弯曲模量等影响较小。此外,SSF 的填充加入对合成树脂的外观颜色、机械性能、加工性能等影响最为轻微,且达到相同电磁屏蔽效率时所需的添加量为最少[3]

。国外已有许多专利报道,而国内虽有部分产品,但对此系统研究却很少。

目前,在电磁(波)屏蔽(EM I/RFI)防护方面广泛应用的导电纤维主要有3种:导电碳纤维(CC)、镀镍石墨纤维(NC)及SSF,其中SSF 填充导电塑料约占60%的市场份额,主要应用在消费电子产品、电器、通讯器材、安全防爆产品、信息传递与安全、抗静电、石油化工等领域;镀镍石墨纤维增强导电塑料约占30%的市场份额,主要应用于便携式电子产品、通讯、医疗器械、军工、航天航空等领域;其它品种约占不到10%的市场份额。

2 研究进展

2.1 国内外研究现状

War d S 等早在1990年就报道了SSF 分别填充PEEK 、PES 、ABS 和PC 等热塑性树脂的抗静电和电磁屏蔽性能研究,同时也讨论了相关产品在实际抗静电和电磁屏蔽应用中的市场问题[4]。

美国Wilson Fiberfil International 公司的Gerteisen S R 等报道了利用SSF 填充工程塑料PC,以解决电器塑料外壳的电磁屏蔽和射频干扰的电磁兼容问题[5]

。Van Loock 报道了SSF 增强塑料的防射频干扰新工艺,所用纤维直径只有2~5 m ,在低填充量下就具有很好的电磁屏蔽效果[6];美国Brunsw ick 公司生产的SSF 及其填充的热塑性导电塑料(SS/PC/ABS),当SSF 直径大约7 m 、填充率为6%(V%,下同)时,屏蔽效果可达40~50dB,且随纤维填充率增加,防视频干扰效果也增加,但价格较为昂贵[7]。实验研究表明,SSF 很容易填充到大部分热塑性塑料中,且复合材料的机械力学性能、模压收缩率、加工特性和自然颜色都没有显著变化。但SSF 的长径比、填充量和分散度会对纤维复合材料的导电性有重要影响[8]。GE 公司于2004年宣布同时推出具有抗静电和抗电磁波干扰(EMI)的多种SSF 填充热塑性导电塑料,如SSF/ABS 、SSF/PC 产

品可以满足大部分电子和通信产品塑料壳体的电磁兼容(EM C)用途,其屏蔽效能(SE)值在40~60dB 。Diam ond Shamrock 公司使用直径为6 m 的SSF,填充量低于1%,制备具有抗静电性的导电塑料,如SSF/PE 、SSF/PS 等。荷兰DSM 公司采用长度为3~4mm ,直径7~8 m 的SSF,制备了填充量为1%~2%的SSF/PP 、SSF/PC 等导电塑料;比利时Cabot Plastics International 公司生产一系列添加有微细SSF 的增强热塑性导电塑料等。最近,日本LNP 公司用一种新的SSF 填加于尼龙PA 中,制成热塑性导电塑料SSF/PA 替代金属屏蔽材料,广泛用于制造汽车零部件[9]。

近几年国内也有许多研究SSF 填充高分子材料的报道。四川大学范五一等对SSF 填充热塑性塑料进行了研究[10];中山大学谭松庭等对SSF 填充PP 的力学、电学、电磁屏蔽等性能进行了研究[11];台湾Yang S Y 等研究了SSF 增强ABS 的电磁屏蔽性能,重点考察了纤维长度和填充量对电磁屏蔽性能影响[12];北京化工研究院在热塑性导电塑料开发上也有报道,但没有SSF 填充导电塑料产品。2.2 主要影响因素

2.2.1 热塑性塑料基体

不同的热塑性塑料基体对于SSF 的性能发挥有着显著影响。范五一等报道了H DPE/SSF 、ABS/SSF 复合材料的性能区别,H DPE 基材形成导电网络的临界点比ABS 基材的出现得更早,导电性能更优良[13]。

2.2.2 SSF 填充量

用直径较细的SSF 填充ABS 和H IPS,在4%以上就可使材料的体积电阻率从1015 cm 突降到104 cm 以下,显示出金属纤维长径比对导电复合材料中渗滤过程的控制作用。当用同种SSF 填充结晶性的PP 基体时,临界填充量在1%左右,这可能是金属纤维受PP 结晶的影响,而在非晶区富集较多的缘故[10]

;用SSF 填充ABS 和PP 基体时,随纤维含量增加,弯曲强度开始有所增加,然后又逐渐下降。造成这种现象的原因可能是:直径细的SSF 在其含量较低、且均匀分散于基体中时,可充当增强组分,并使复合材料弯曲强度增加;但当含量较高时,由于分散不好而缺陷增多,使复合材料的机械力学性能下降。

2.2.3 表面改性与分散

由于SSF 与热塑性塑料基体的表面性能差异较大,纤维不容易在基体中分散均匀,所以如何改善金

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